Aula 23

Transistor de Junção Bipolar I

Transistores

Transistor é um dispositivo semicondutor de 3 regiõessemicondutoras, duas do tipo P e uma do tipo N ou duasdo tipo N e uma do tipo P.O termo transistor deriva de “resistor de transferência",em inglês: TRANsfer reSISTOR.

Suas principais aplicações são:Circuitos chaveadores (eletrônica digital)

• Processamento de sinais• Chaveamento de cargas de alta potência

Circuitos amplificadores• Amplificadores de sinais biomédicos• Amplificadores de sons

Circuitos osciladores• Multivibradores• CI 555• Temporizadores

Tipos e simbologia de transistores

TIPOS DE TRANSISTORES

Bipolares (TBJ) Unipolares

NPN PNP MOSFET JFET

https://www.youtube.com/watch?v=7ukDKVHnac4&feature=youtu.be

Transistores de Junção Bipolar

São dois os tipos de transistores bipolares de junção – PNP e NPNAs camadas externas do transistor são semicondutores fortemente dopados, com larguras maiores do que a camada central (levemente dopada).

De forma geral, a diferençaentre os transistores PNP e NPNé a direção das correntes

A seta sempre “aponta” para ocristal do tipo NO terminal com a seta é sempreo emissor

Transistores de Junção Bipolar

Transmissor FM

Abaixo alguns exemplos da aplicação de transistores

Transistores de Junção Bipolar

𝒊𝑬

𝒊𝑪𝒊𝑬

𝒊𝑪

𝒊𝑩𝒊𝑩

Pela LKC temos:

𝑖𝐸 = 𝑖𝐵 + 𝑖𝐶

• A base opera em baixa corrente• A razão entre a corrente do coletor e da base indica

o ganho do transistor (parâmetro intrínseco docomponente – β ou Hfe).

• A razão entre a corrente do coletor e do emissor édefinida pela constante α

𝛽 = 𝐻𝑓𝑒 =𝑖𝐶𝑖𝐵

𝛼 =𝑖𝐶𝑖𝐸

𝐼𝐶𝛼= 𝐼𝐶 +

𝐼𝐶𝛽

∴1

𝛼= 1 +

1

𝛽∴ 𝜶 =

𝜷

𝜷 + 𝟏

Relação de corretes

Transistores de Junção Bipolar

Exemplo: Um transistor PNP tem uma corrente de emissor de 120mA e uma corrente de base de 5mA. Calcule sua corrente de coletor.

Exemplo: Em um transistor NPN a corrente de coletor é 40mA, o ganho de corrente for de 80 (β=80), qual é a corrente no emissor e da base?

120𝑚𝐴

𝑖𝐶

5𝑚𝐴𝛽 = 80

40𝑚𝐴

𝑖𝐵

𝑖𝐸

Transistores de Junção Bipolar

Exemplo: Um transistor PNP tem uma corrente de emissor de 120mA e uma corrente de base de 5mA. Calcule sua corrente de coletor.

Exemplo: Em um transistor NPN a corrente de coletor é 40mA, o ganho de corrente for de 80 (β=80), qual é a corrente no emissor e da base?

120𝑚𝐴

𝑖𝐶

5𝑚𝐴𝛽 = 80

40𝑚𝐴

𝑖𝐵

𝑖𝐸

𝒊𝒄 = 𝟏𝟐𝟎𝒎− 𝟓𝒎 = 𝟏𝟏𝟓𝒎𝑨

80 =𝑖𝐶𝑖𝐵=40𝑚

𝑖𝐵

𝑖𝐵 = 0,5𝑚𝐴

𝑖𝐸 = 40𝑚 + 0,5𝑚

𝐼𝐸 = 45𝑚𝐴

Transistores de Junção Bipolar

Transistor como um diodo: A junção base-emissor de um transistor, com o coletor aberto, possui o mesmo comportamento de um diodo.

Transistores de Junção Bipolar

𝑉𝐶𝐵

𝑉𝐵𝐸

𝑉𝐶𝐸

𝑉𝐵𝐶

𝑉𝐸𝐵

𝑉𝐸𝐶

𝑁𝑃𝑁 → 𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶𝐵 + 𝑉𝐵𝐸 𝑃 = 𝑉𝐶𝐸 × 𝑖𝑒

𝑃𝑁𝑃 → 𝑉𝐸𝐶 = 𝑉𝐶𝐵 + 𝑉𝐸𝐵 𝑃 = 𝑉𝐸𝐶 × 𝑖𝑒

𝑉𝐵𝐸 = 0,7𝑉

Relações de tensões:

Transistores de Junção Bipolar

Abaixo as três configurações básicas para que um transistor seja utilizado comoamplificador, tais configurações levam em consideração o terminal conectado aocomum do circuito

Configuração que iremos estudar

Circuito com polarização fixa

Polarização fixa Polarização estável Polarização por divisor de tensão

Polarizações de emissor-comum que iremos analisar

Circuito com polarização fixa

Iremos analisar, de forma independente, a ação da corrente alternada e da corrente contínua emum transistor. Inicialmente iremos analisar a ação da corrente contínua, para isso devemosdesprezar a presença dos capacitores, uma vez que os capacitores se comportam com umcircuito aberto em CC. Também podemos dividir as fontes para facilitar os cálculos.

Circuito com polarização fixa

Modelo Ebers Moll, simplificado, para a análise de transistores. Para utilizarmos este modelo,devemos considerar que o transistor está trabalhando na sua região ativa, não deve estarsaturado ou na região de corte. Não há necessidade de usar este modelo para todas asanálises, neste caso, trata-se apenas de um modelo ilustrativo.

Circuito com polarização fixa

Exercício: Para o circuito transistorado abaixo, calcule:

𝑖𝐵 , 𝑖𝐶 𝑒 𝑖𝐸As correntes: As tensões:

𝑉𝐶𝐸 𝑒 𝑉𝐵𝐸Potência dissipada pelo transistor

Circuito com polarização fixa

Exercício: Para o circuito transistorado abaixo, calcule:

𝑖𝐵 =5 − 0,7

100 ⋅ 100−3= 43𝜇𝐴

𝑖𝐶 = 𝑖𝐵 ⋅ 100 = 4,3𝑚𝐴

𝑖𝐸 = 𝑖𝐵 + 𝑖𝐶 = 4,343𝑚𝐴

𝑉𝐵𝐸 = 0,7𝑉

𝑉𝐶𝐸 − 12 + 2,2 ⋅ 103 ⋅ 4,3 ⋅ 10−3

𝑉𝐶𝐸 = 12 − 2,2 ⋅ 103 ⋅ 4,3 ⋅ 10−3 = 2,54𝑉

𝑃 = 𝑉𝐶𝐸 ⋅ 𝑖𝐸 = 2,54 ⋅ 4,343 ⋅ 10−3

𝑃 = 11,03𝑚𝑊

Circuito com polarização fixa

Exercício: Calcule Vce, para os circuitos abaixo:

Circuito com polarização fixa

Exercício: Calcule Vce, para os circuitos abaixo:

𝑖𝐵 =5 − 0,7

330 ⋅ 103= 13,03𝜇𝐴

𝑖𝐶 = 150 ⋅ 13,03 ⋅ 10−6 = 1,95𝑚𝐴

𝑽𝑪𝑬 = 𝟏𝟐 − 𝟏, 𝟐 ⋅ 𝟏𝟎𝟑 ⋅ 𝟏, 𝟗𝟓 ⋅ 𝟏𝟎−𝟑 = 𝟗, 𝟔𝟓𝑽

𝑖𝐵 =12 − 0,7

330 ⋅ 103= 34,24𝜇𝐴

𝑖𝐶 = 150 ⋅ 34,24 ⋅ 10−6 = 5,14𝑚𝐴

𝑽𝑪𝑬 = 𝟏𝟐 − 𝟏, 𝟐 ⋅ 𝟏𝟎𝟑 ⋅ 𝟓, 𝟏𝟒 ⋅ 𝟏𝟎−𝟑 = 𝟓, 𝟖𝟒𝑽

Circuito com polarização fixa

Sem considerar a variação do ganho Considerando a variação do ganho

Os gráficos abaixo representam as curvas características da corrente do coletor (𝑖𝐶) em relação a tensão coletor-emissor (𝑉𝐶𝐸). Analise quais as variáveis podem ser obtidas de forma direta e indireta.

Saturação, corte e reta de carga

Exercício: Interprete o circuito e gráfico abaixo

Circuito com polarização fixaO termo saturação é aplicado a qualquer sistema onde os níveis alcançam seus valores máximos.

A equação que relaciona 𝐼𝑐 e 𝑉𝑐𝑒 nos circuitos analisados anteriormente é:

𝑽𝑪𝑬 = 𝑽𝑪𝑪 − 𝑰𝑪 × 𝑹𝑪

Como 𝑉𝐶𝐸 não pode ser negativo, o ponto de saturação é definidoquando 𝑉𝐶𝐸 é igual a zero, ou seja um curto circuito

𝑰𝑪𝒔𝒂𝒕 =𝑽𝑪𝑪𝑹𝑪

A relação de corte é dada emfunção a tensão máxima de 𝑉𝐶𝐸,ou seja, quando 𝐼𝐶 for mínimo(𝐼𝐶 = 0𝐴)

𝑽𝑪𝑬𝒄𝒐𝒓𝒕𝒆 = 𝑽𝑪𝑪 𝒆 𝑰𝑪 = 𝟎

Circuito com polarização fixa

O circuito abaixo foi projetado para trabalhar em saturação, funcionando como uma chavecontrolada. Note que a corrente ib é superior ao máximo para alcançar a zona de saturação. Estemodelo de circuito é conhecido por circuito de saturação forte 10:1, ou seja, a resistência da baseé 10x a resistência do coletor.

Circuito com polarização fixa

Na figura abaixo podemos visualizar a região ativa, a região de corte e a região de saturação do transistor

Circuito com polarização fixa

Análise por reta de carga é a interpretação gráfica da faixa de operação de um transistor. Noexemplo abaixo, temos uma reta de carga em função da corrente da base. O ponto Q,representa o exato ponto de operação do transistor, em um determinado instante.

Circuito com polarização fixa

Exercício: Considere que a operação de um transistor de junção bipolar EC, com polarizaçãofixa, está representado graficamente abaixo. Monte o circuito

Circuito com polarização fixa

Exercício: Considere que a operação de um transistor de junção bipolar EC, com polarizaçãofixa, está representado graficamente abaixo. Monte o circuito

𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶𝐶 = 20𝑉 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝐼𝐶 = 0𝐴

𝐼𝐶𝑠𝑎𝑡 =𝑉𝐶𝐶𝑅𝐶

𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑉𝐶𝐸 = 0𝑉

𝑅𝐶 =𝑉𝐶𝐶𝐼𝐶

=20

10 ⋅ 10−3= 2𝐾Ω

𝐼𝐵 =𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝐵𝐸

𝑅𝐵

𝑅𝐵 =𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝐵𝐸

𝐼𝐵=20 − 0,7

25 ⋅ 10−6= 772𝐾Ω